2023年J题[线路故障自动检测系统]踏马纵花向自由队

前言

                                                                                                                                                                                                                                  

线路故障自动检测系统的装置主要由STM32单片机、DDS增益控制电路、驱动继电器控制电路、恒流源电路、DDS信号发生模块、LCD显示电路等部分构成。主要由STM32F429单片机、DDS信号发生模块、放大电路、恒流源电路、继电器驱动电路等部分构成。采用了输入直流信号、交流信号和恒流源信号三种信号的输入，能够精准的判断哪个元器件的发生故障和元器件出现的故障类型，以及无故障类型。其中测量的误差问题几乎没有，测量的过程、故障类型和交互界面都能够在LCD串口屏上显示。

一、团队介绍

                                                                                                                                                                                                                                  

团队成员都来自深圳职业技术大学的学生。通过备赛期间辛苦努力的训练以及各类模块的准备与学习，成功荣获了2023年全国大学生电子设计竞赛J题的全国一等奖。

二、题目要求

                                                                                                                                                                                                                                   

1．基本要求
图1中开关S为闭合状态。线路网络中只存在一个电感元件或电容元件故障。
按下启动键后，系统自动检测并显示故障元件编号及故障类型（断路或短路）。
2．发挥部分
图1中开关S为断开状态。
（1）线路网络中有一个二极管存在断路故障。同时，还存在一个电感或电
容元件故障。按下启动键后，系统自动检测并显示故障元件编号及故障类型。
（2）线路网络或无故障，或只存在一个电感或电容元件故障，或二极管中
有一个存在断路故障的同时还存在一个电感或电容元件故障。按下启动键后，系
统自动检测并显示系统状态（是否有故障），以及在有故障时故障元件编号及故
障类型。

（3）其他。

三、项目分析

                                                                                                                                                                                                                                   

 

线路故障自动检测系统的装置主要由STM32F429单片机、DDS增益控制电路、驱动继电器控制电路、恒流源电路、DDS信号发生模块、LCD显示电路等部分构成。

故障判断

• 电感短路：通过输入恒流源判断哪个电感的短路
• 电感断路：通过输入1.53MHz的交流信号去判断哪个电感断路
• 无故障：    通过输入直流信号、恒流源信号以及交流信号分别判断电路是否存在故障
• 电容短路：通过输入1.53MHz的交流信号去判断哪个电容短路
• 电容断路：通过输入1.53MHz的交流信号和880KHz的交流信号交替判断哪个电容断路 

通过送入一个直流信号、交流信号或者是恒流源信号进电路，然后送出一个信号通过有效值模块去提取之后直接用单片机的ADC模块直接读取值，从而判断哪个元器件出现故障以及故障类型，包括无故障。

调整交流信号频率

  最初选定的交流信号频率为1.53MHz，因为这个频率在LC滤波器中信号过滤起到了一个好的作用，当我们采集到电容断路的时候，发现其中有部分电容断路采集到的数值很接近，这样就无法判断哪个电容断路，导致测量不精准，所以我们采用部分判断改变交流信号频率。

测试方案与测试结果

本系统测试仪器主要包括：万用表（KEYSIGHT 34470A）、数字示波器（SDS2520X）等。

四、硬件电路组成

                                                                                                                                                                                                                                  

线路故障板

比赛题目要求制作一块线路故障板，我们采用嘉立创打板的形式加强板子的稳定性。

继电器驱动电路

由于测量线路故障板有多种通道进行，送入线路板的交流信号、直流信号和恒流源信号不是集成模块，所以我们需要通过继电器去选型驱动选择直流信号还是交流信号送入等等，这样既保证了各个模块之间独立工作不干扰，也稳定了故障测试的准确性，保证电路信号同步。

电源模块电路

由于各个模块的供电电源幅值不一样，所以我们制作了一块+-12V转+-12V、+-5V以及+3.3V的电源模块，保证了电源的多样性和电源模块的简化。

恒流源模块电路

采用了TL431芯片产生一个恒定电流的信号，通过LM358去进行驱动放大电压信号，从而保证信号的稳定行和电流的恒定。

增益放大电路

由于DDS信号产生的幅值不够大，所以我们采用高速运放芯片去放大DDS产生的信号，这样既达到了电路要求的幅值，同时保证了信号的不失真。

五、模块功能

                                                                                                                                                                                                                                  

1.电源模块，为系统供电

2.恒流源模块，为系统提供了一个恒流源信号

3.有效值检测模块，采集线路故障板的有效值

4.继电器驱动电路 用于不同信号的选型输出到系统中

5.串口屏，用于数据显示和交互

6.F429微处理器，系统的核心，用于数据采集和处理

7.DDS信号发生模块，用于产生高频信号的输出

8.放大模块 用于放大交流信号的幅值

 

六、程序流程图

                                                                                                                                                                                                                                

本程序设计思路如图所示。上电后进行初始化，初始化完毕后按下按键便可开始测量，判断顺序为电感-电容-二极管，通过引脚控制继电器切换输入信号为交直流信号或恒流源信号，然后使用单片机ADC去读取电压值，来判断故障类型为短路还是断路，判断完毕后将信息传输至串口屏进行显示。

部分代码展示

                                                                                                                                                                                                                                

七、实物展示

                                                                                                                                                                                                                                  

八、注意事项

该DDS模块使用AD9959芯片，具有低功耗模式，在使用一段时间后会休眠，需重新复位才可继续使用。增益放大电路的运放选型也需注意，要选取压摆率较大的运放芯片。

串口屏供电需要12V供电。

九、总结

                                                                                                                                                                                                                                

本系统通过继电器切换信号输入源，实现不同故障状态下读取的差值结果不同，从而判断出故障位置及类型，满足题目基本要求，同时，作为发挥的一部分，扩展了识别的类型，可实现两个电容短路检测，测量结果精准，误差小。通过测试，满足基本要求和发挥部分要求。

十、演示视频